п. УНИПОЛЯРНЫЕ МАШИНЫ С ТВЕРДЫМ СКОЛЬЗЯЩИМ КОНТАКТОМ

Униполярная машина является в принципе низковольтной. Она может работать при очень больших токах, правда, возникают известные затруднения с токосъемом.

Повышение напряжения достигается значительным усложнением ее конструкции. При этом теряются основные достоинства- простота и надежность. Ротор униполярного генератора является как бы обмоткой с витками, которые всегда соединены параллельно в отличие от коллекторной машины постоянного тока, где последовательное соединение проводников обмотки может обеспечить необходимое высокое напряжение.

Если принять во внимание, что индукция в магнитной цепи униполярной машины по условию насыщения стали может быть допущена не более 2 вб/м, а линейная окружная скорость литого диска, по соображению механической прочности, не должна превосходить 200 м/сек, то при радиусе диска в 1 м, согласно выражению (1), для максимальной э.д. с, машины получим величину, равную 200 в.

Естественным способом повышения напряжения является последовательное соединение электрических цепей отдельных дисков, при этом желательно избежать дополнительных скользящих контактов. Однако, если это выполнить путем соединения окружности одного диска с центром последующего (рис. 10). то не получим ожидаемого эффекта, так как соединительные проводники явились бы, в свою очередь, носителями встречной э. д. с, равной э. д, с. диска. Вынос соединительного проводника из зоны интенсивного поля (рис. 11) также не дает решения поставленной задачи, так как в проводнике PQRT будет индуктироваться встречная э.д.с. от пересечения им потока, который создает протекающий в дисках ток.

Таким образом, для повышения напряжения машины путем последовательного соединения электрических цепей дисков (в случае осевого магнитного потока) необходимы дополнитель-

Рис. 10

Рис. II

Рис. 12. Способ соединения дисков для сложения индуктированных в них э.д,с.

ные скользящие контакты. На такую возможность указал еще М. Фарадей, предлагавший соединить диски попарно со стороны их окружностей и валов; причем направления вращения смежных дисков должно быть взаимно противоположным (рис. 12). В этом случае происходит сложение э.д, с. в электрической цепи, а магнитные поля от собственных токов дисков компенсируются.

Задачу получения требуемого направления э.д.с. (вместо вращения дисков в разных направлениях) за счет соответствующего направления магнитных полей в зоне каждого диска практически решил Форбс.

УНИПОЛЯРНЫЕ МАШИНЫ С ДИСКОВЫМ РОТОРОМ

На рис. 13 показан продольный разрез машины, по схеме которой Форбс в 1886 г. построил генератор. Два диска находятся на одном валу. Пара катушек Бозбуждения Е в виде колец создают магнитное поле, силовые линии которого пронизывают диски в разных направлениях. В результате э. д. с. дисков суммируются и на скользящих щетках возникает удвоенное напряжение. Эксплуатация первых конструкций униполярных машин показала, что диски целесообразно выполнять стальными в целях снижения требуемой намагничивающей силы обмоток возбуждения и повышения механической прочности дисков. Одновременно была установлена необходимость тщательной компенсации поля от тока нагрузки машины. Это явление принято называть реакцией якоря . Реакция якоря обычно ослабляет магнитный поток машины, тем самым снижая напряжение на щетках с ростом тока нагрузки.

В униполярной машине Тюри (рис. 14) одним из первых для компенсации реакции тока якоря был применен специальный неподвижный диск Д, расположенный перед вращающимся диском Д. Центральная часть вращающегося диска соединялась со скользящим контактом, а наружная - соответственно с неподвижным диском. Таким образом, ток должен пройти по

Рис. 13. Дисковая униполярная машина Форбса

Рис. 14. Униполярная машина Тюри с компенсационным диском

рассмотренным дискам во взаимно противоположных направлениях. Подобный принцип зеркального отражения тока якоря применяется во всех конструкциях более поздних униполярных машин.

К описанным двум схемам дисковых машин вернемся при анализе машин с жидкометаллическим контактом. Здесь приведем только продольный разрез униполярного генератора Б. Уг-римова (рис. 15), который интересен тем, что дает представление о конструктивном оформлении машин с дисковым ротором более позднего времени (1909 г.). Для съема тока с окружности диска применен ртутный контакт. Второй контакт К осуществляется латунной щеткой со стального кольца, насаженного на вал. Диск ротора сделан нз специальной стали, что позволило допустить линейную скорость на его окружности в 270 м/сек. Корпус статора (S) -стальное литье, -поперечные сечения катушек возбуждения. Номинальные данные генератора: Р = 80 кет, t/=40 в, и = 8000 об/мин, к. п. д. при полной нагрузке 80%.

Существенным недостатком дисковых униполярных машин является чувствительность к неточностям сборки при монтаже. В случае появления магнитной асимметрии возникают значительные* осевые усилия, затрудняющие работу подшипников и щеточного аппарата. Это повышает потери в машине и обусловливает значительные толчки ротора при изменениях тока. В связи с этим работы изобретателей были направлены па поиски более совершенной конструкции, хотя дисковые машины в отдельных случаях изготовляют до настоящего времени, например упомянутый во введении импульсный генератор Австралийского национального университета на пиковый ток в 1600 ка. 16

Рис. 15. Униполярный генератор Б. Угримова с дисковым ротором (Д) и ртутным контактом (Р)

УНИПОЛЯРНЫЕ МАШИНЫ С ЦИЛИНДРИЧЕСКИМ РОТОРОМ

Идея создания униполярной машины с цилиндрическим ротором принадлежит также Форбсу. В конструкции своей маши-нь1 (см. рис. 13) два вращающихся диска он решил заменить одним массивным цилиндром /. После ряда конструктивных поисков был построен генератор, разрез которого вдоль оси вращения дан на рис. 16.

Две катушки возбуждения (Е), каждая из которых кольцом хватывает ротор, обтекаются током во взаимно противополож- Ь1Х направлениях. Магнитный поток радиально входит в сред-

Рис. 16. Цилиндрическая униполярная машина Форбса

нюю часть ротора и, разделившись на две части, замыкается через боковые части статора Таким образом, статор приобретает полярность: в средней части между катушками одну, по краям - противоположную. Токосъем осуществлялся по окружности ротора угольными щетками, которые вмонтированы в медные кольца К углового сечения. Эти кольца соединены с обмотками возбуждения и торцевыми стальными кольцаМИ (А), из.о-лированными от статора, скорость вращения ротора - ток 500 а. Габариты: длина

Расчетные данные машины: 2000 об/мин, напряжение 2 в, 228,5 мм; наружный диаметр - 152,4 мм.

Следует отметить, что в униполярной машине с цилиндрическим ротором при помощи пары скользящих контактов удается использовать для получения напряжения только часть ротора. Так в рассмотренном случае щетки снимают э.д.с. ротора только в зоне между катушками возбуждения. Электродвижущие силы, индуктируемые в боковых частях ротора, имеют направление встречное э.д.с. средней части, поэтому для их использования потребовались бы дополнительные скользящие контакты.

В машине с цилиндрическим ротором в случае магнитной асимметрии возникают значительно меньшие осевые усилия, чем в машине с дисковым ротором.

Характерной особенностью униполярных машин любого типа является отсутствие при наличии круговой симметрии магнитного поля потерь от вихревых токов и на гистерезис в стали ротора. Это позволяет выполнять роторы униполярных машин массивными.

Отсутствие указанных потерь в стационарном режиме работы униполярного генератора объясняется тем, что напряженность магнитного -поля в теле ротора, как это было отмечеио в разделе I, не изменяется во времени. При исследовании потерь в генераторах, созданных по проектам Пуарсона и Сомеда, магнитные потери в стали практически отсутствовали [79]. Имевшие место небольшие магнитные потери в стали (менее 0,1% от номинальной мощности) были обусловлены некоторой асимметрией системы и неоднородностью структуры материала ротора.

Максимальное напряжение, которое может быть снято парой скользящих контактов в униполярном генераторе с цилиндриче-

ским ротором, когда имеет место равномерное распределение магнитной индукции В в воздушном зазоре, определяется простым выражением

е = Blv, (4)

где /-активная длина цилиндра между двумя токосъемными устройствами; V - линейная окружная скорость цилиндра. Принимая во внимание, что

после подстановки в (4), получим

е = В5ц л = Фп, {S

где 5ц-активная поверхность цилиндра;

Ф - магнитный поток, входящий в ротор. Как отмечалось выше, магнитный поток Ф в роторе разделяется на две равные части, поэтому, заменяя мысленно цилиндрический ротор двумя дисками (наподобие схемы рис. 16), напряжение на щетках цилиндрической машины можно определить как сумму э.д.с, которые наводятся в этих двух дисках :

е = 2Ф,/г, (6)

где фр - поток в поперечном сечении ротора, как это следует из (3).

Полученный результат еще раз подчеркивает глубокую связь в смысле принципа действия между униполярными машинами с цилиндрическим и дисковым роторами.

МАШИНЫ С РОТОРОМ в ВИДЕ КОЛОКОЛА

Массивный цилиндрический ротор может быть заменен полым цилиндром, имеющим форму колокола* (рис. 17). При сохранении активной длины, равной /, получается то же самое напряжение (см. формулу 4). В этом случае униполярная машина будет иметь малый механический момент инерции ротора,

Генератор с ротором в виде колокола был построен в 1888 г. по проекту Леру (см. рис. 17).

Одним из существенных недостатков рассматриваемого типа машин явились трудности, связанные с устранением механического боя колокола; обусловленного неизбежной магнитной асимметрией из-за неточностей при сборке генератора. Позже появились симметричные конструкции с продолжением активной Стороны колокола в противоположную сторону, где помещались подобная магнитная система и катушка возбуждения (шведский патент Цендера и Юнгстрема, 1900 г). Примером унипо-

Иногда применяют термин барабанный ротор.